C++网络编程之字节序

概述

字节序是指多字节数据在内存中的存储顺序。主要有两种字节序：大端序、小端序。

大端序：即Big-Endian，高位字节存放在低地址处，低位字节存放在高地址处。比如：16位整数0x1234，在大端序下会以0x12 0x34的形式存储。

小端序：即Little-Endian，低位字节存放在低地址处，高位字节存放在高地址处。比如：16位整数0x1234，在小端序下会以0x34 0x12的形式存储。

需要注意的是：不同计算机系统可能使用不同的字节序来存储多字节的数据类型。当这些系统之间进行通信时，如果不正确处理字节序问题，就可能会导致数据解析错误。比如：如果一台机器是小端序，另一台是大端序，它们之间的数据交换如果没有经过适当的转换，接收方可能会误解发送方的数据。

检测字节序

在C++中，检测字节序有几种不同的方法。下面，分别进行介绍。

1、使用类型转换。下面的代码封装了一个IsLittleEndian的函数，用于判断是否为小端序。在该函数中，首先初始化一个32位无符号整数uiValue，其值为0x01020304。然后，使用reinterpret_cast将uiValue的地址转换为char*类型的指针，以便逐字节访问。检查uiValue的第一个字节是否为0x04，如果是，则系统是小端序；否则，系统是大端序。

C++ 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

bool IsLittleEndian()
{
    unsigned int uiValue = 0x01020304;
    char* pValue = reinterpret_cast<char*>(&uiValue);

    // 如果第一个字节是0x04，则是小端序
    return (pValue[0] == 0x04);
}

int main()
{
    if (IsLittleEndian())
    {
        cout << "Little-Endian" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Big-Endian" << endl;
    }

    return 0;
}

2、使用联合体。联合体允许我们在相同的内存位置存储不同的数据类型，这样可以方便地检查多字节数据类型的字节顺序。在下面的代码中，我们首先使用联合体将一个32位无符号整数unsigned int i和一个4个字符的数组char c[4]共享同一块内存。然后，初始化联合体中的unsigned int i为0x01020304。最后，通过char c[4]访问unsigned int i的第一个字节。检查第一个字节是否为0x04，如果是，则系统是小端序；否则，系统是大端序。

C++ 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

bool IsLittleEndian()
{
    union {
        unsigned int i;
        char c[4];
    } value = {0x01020304};

    // 如果第一个字节是0x04，则是小端序
    return (value.c[0] == 0x04);
}

int main()
{
    if (IsLittleEndian())
    
    {
        cout << "Little-Endian" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Big-Endian" << endl;
    }

    return 0;
}

3、使用标准库函数。在某些情况下，可以使用标准库提供的函数来检测字节序。比如：在POSIX兼容的系统中，可以使用endian.h头文件中的宏来检测字节序。具体如何使用，可参考下面的示例代码。

C++ 复制代码

#include <iostream>
#include <endian.h>
using namespace std;

int main()
{
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
    cout << "Little-Endian" << endl;
#elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
    cout << "Big-Endian" << endl;
#else
    cout << "Unknown endianness" << endl;
#endif

    return 0;
}

主机字节序与网络字节序

主机字节序是指当前计算机系统中，多字节数据类型的存储顺序。主要有上面介绍的两种字节序：大端序和小端序。

在网络协议中，为了确保数据的一致性，通常规定使用一种统一的字节序。最常见的网络字节序是大端序，这是因为：大端序与人类阅读数字的习惯一致，便于调试和理解。比如：在TCP/IP协议族中，所有多字节的数据类型都要求使用大端序进行传输。

字节序转换

在跨平台或异构网络环境中，不同的系统可能使用不同的字节序。如果发送方和接收方的字节序不一致且没有进行适当的转换，会导致数据解析错误。因此，在网络编程中，必须确保数据在发送前转换为网络字节序，在接收后转换回主机字节序。

C++标准库提供了几个用于字节序转换的函数。对于POSIX兼容系统（比如：Linux、Mac等），这些函数定义在arpa/inet.h头文件中。对于Windows系统，这些函数定义在winsock2.h头文件中。

htons()和htonl()：用于将主机字节序转网络字节序（Host to Network Short/Long）。

ntohs()和ntohl()：用于将网络字节序转主机字节序（Network to Host Short/Long）。

在下面的示例代码中，我们使用htons和htonl将主机字节序的hostShort、hostLong转换成了网络字节序的netShort、netLong。然后，再将网络字节序的netShort、netLong转换回主机字节序的convertedShort、convertedLong。注意：在Windows下使用Visual Studio编译这段程序时，需要在工程中链接ws2_32.lib库，否则链接时会报错。

C++ 复制代码

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
using namespace std;

int main()
{
    // 主机字节序转为网络字节序
    uint16_t hostShort = 0x1234;
    uint32_t hostLong = 0x12345678;

    uint16_t netShort = htons(hostShort);
    uint32_t netLong = htonl(hostLong);

    cout << "Host short: " << hex << hostShort << endl;
    cout << "Network short: " << hex << netShort << endl;

    cout << "Host long: " << hex << hostLong << endl;
    cout << "Network long: " << hex << netLong << endl;

    // 再将网络字节序转回主机字节序
    uint16_t convertedShort = ntohs(netShort);
    uint32_t convertedLong = ntohl(netLong);

    cout << "Converted short: " << hex << convertedShort << endl;
    cout << "Converted long: " << hex << convertedLong << endl;

    return 0;
}